目前，与20世纪中叶相比，世界人口增长了两倍，至2024年已经达到了81.2亿。这一增长主要归因于与社会经济发展相关的寿命延长和生活方式的改变，以及公共卫生和医疗保健水平的提高。然而，对于财富分配日益不平衡的老龄化人口来说，保证全民健康覆盖已成为一项重大挑战。为了获得临床分析服务，准确诊断疾病，监测预后并指导有效治疗正变得至关重要。从这个意义上来说，分散分析、即时诊断（POCT）、可穿戴和可植入器件以及实时监测各类疾病的分子诊断所提供的优势是显而易见的。新冠疫情（COVID-19）的爆发进一步凸显了开发这些技术的重要性。因此在该领域，采用生物传感器的分析器件具有广阔的市场前景。
生物传感器可以通过提供快速、准确且微创的方法来检测和监测各种健康状况，正在彻底改变临床诊断和个性化医疗。并且，这些都是简单易用的器械，不需要专业人员或昂贵而复杂的设备，还缩短了交付分析结果所需要的时间。这些生物传感器可以识别体液（例如血液、尿液和唾液）中的特定生物标志物，从而实现癌症、糖尿病和心血管等疾病的早期诊断。生物传感器的实时监测能力可以提供更及时的医疗干预，改善患者的治疗效果，并降低医疗成本。通过促进即时诊断的广泛应用，生物传感器消除了对复杂实验室的需要，即使在资源有限的环境中也可以进行诊断。
即时诊断、可穿戴和可植入生物传感器在诊断和治疗中的应用
在个性化医疗中，即时诊断传感平台以及可穿戴和可植入生物传感器，在根据患者特定生物标志物情况为其量身定制医疗方案方面发挥着越来越重要的作用。与一刀切的治疗方法相比，这种精确的方法确保了更有效的治疗、更少的副作用。例如，生物传感器可以监测病人体内的药物水平，提供数据帮助调整剂量以达到最佳治疗效果。此外，生物传感器还可以跟踪疾病的进展和身体对治疗的反应，使医护人员能够实时调整治疗计划。这种个性化的方法不仅提高了患者的护理水平，而且为未来更先进、更有针对性的治疗铺平了道路。
多孔硅（pSi）已成为开发生物传感器的卓越材料，特别是面向即时诊断传感器，由于其独特的特性组合，可以潜在地提高器件灵敏度和选择性，这是评估即时诊断传感器性能的两个最关键因素。多孔硅基质的高表面积体积比（500～800 m²/cm³）为生物分子固定提供了丰富的活性位点，显著提高了表面覆盖率，进而提高了传感器的灵敏度。选择性可以通过调整孔径、形貌以及采用不同的表面化学来提高。除了它的灵敏度和选择性，多孔硅的多功能性还通过各种表面功能化技术获得了进一步证明，使其可应用于广泛的生物受体和生物分子（例如抗体、酶等）附着。
此外，多孔硅的多孔尺寸和形态可调，可以选择性地靶向和捕获特定的分析物，这增强了传感器的特异性，并能进一步支持各种换能机制，例如光学法和电化学法检测，使其成为检测关键生物标志物的绝佳平台。多孔硅兼容各种光学检测方式，包括反射干涉傅立叶变换光谱（RIFT）、光致发光（PL）和表面增强拉曼散射（SERS）等。例如，反射干涉傅立叶变换光谱技术很容易在即时诊断应用中实现，而光致发光技术更适合可穿戴或可植入应用。
基于Scopus数据库搜索的包含关键词“多孔硅生物传感器”的文献数量持续增长
凭借这些特性，基于多孔硅的生物传感器的研究兴趣日益增长，上图显示了基于Scopus数据库搜索的包含关键词“多孔硅生物传感器”的文献数量持续增长。自1990年代中期的第一批报道以来，文献发表数量明显增长，现在每年已超过500篇。多年来，有些综述已经记录了基于多孔硅的生物传感器的进展。但对于电化学式多孔硅生物传感器，发表的综述并不多，最近发表的一篇综述还是在2015年。
据麦姆斯咨询介绍，澳大利亚蒙纳士大学（Monash University）的研究人员在Applied Materials & Interfaces期刊上发表了一篇题为“Advancements in Porous Silicon Biosensors for Point of Care, Wearable, and Implantable Applications”的综述性文章。该论文旨在全面综述基于多孔硅的生物传感器的最新进展，重点介绍其设计和关键传感机制。文章突出介绍了光学式和电化学式多孔硅生物传感器的主要特点，并重点介绍了它们的即时诊断应用。文章不仅对基于多孔硅的生物传感器的制备过程进行了简要的解释，而且对现有用于探针固定和目标识别的表面修饰策略进行了探讨。
基于多孔硅的生物传感器设计所涉及的关键步骤
此外，本文还深入分析了基于多孔硅的生物传感器的光学换能和电化学换能机制，重点聚焦了该方向的最新进展。最后它解决了必须克服的关键挑战，以促进这些生物传感器在即时诊断（POCT）中的商业化应用。本综述总结了最近的研究成果，为未来的创新提供了清晰的路线图，并为这些生物传感器如何优化以用于即时诊断、可穿戴和可植入设备中的早期疾病检测和医疗保健提供了见解。
多孔硅表面附着生物受体的化学表面示例
应用多孔硅Fabry−Perot干涉仪通过牛奶诊断牛乳腺炎
挑战及未来方向
基于多孔硅的生物传感器为生物医学诊断等许多应用提供了有前途的途径。然而，这些类型的生物传感器仍面临着一些挑战，特别是在实现可重复性和稳定性方面。多孔结构，虽然有利于提高表面积和灵敏度，但由于不一致的孔径和分布，引入了传质和反应动力学的复杂性，以及传感器性能的不稳定性，这需要对制造过程进行高度控制，以避免在不同批次的传感器之间产生不可靠的结果。此外，多孔硅的表面化学对生物识别元件的进一步修饰至关重要，但在生理条件下往往不稳定，导致传感器随着时间的推移而降解。因此，解决这些问题需要在制造技术和表面改性策略方面进行进一步研究，从而使传感器性能标准化，提高其长期稳定性。
生物传感领域的另一个重大挑战是多孔硅与生物传感元件之间的相互作用。因此，多孔硅的生物相容性非常关键，因为它必须允许生物分子的包裹和附着，以确保其功能。虽然，多孔硅和生物分子之间的界面可能容易发生非特异性结合和污染，导致选择性和灵敏度变差，但最近材料工程领域的进展（例如加入防污涂层，开发更具选择性的生物识别层），展示了克服这些障碍的希望。该领域的未来研究将需要专注于优化这些界面，以提高生物传感器性能，并确保对目标分析物的可靠检测。
基于Ag-多孔硅SERS的生物传感器及其制备示意图
多孔硅生物传感器的未来，需要整合多学科进展来应对这些挑战。更复杂的制造方法（例如纳米光刻和先进的蚀刻技术），可以实现均匀且可精确控制的多孔硅结构。此外，多孔硅与其它材料（例如纳米复合材料、石墨烯或金属纳米颗粒）的结合，可以提高其耐久性和性能，增强电学和光学性能。
用于脂多糖（LPS）检测的镀金多孔硅传感器的传感原理
多孔硅与其它新兴技术（例如微流控和可穿戴等）的整合，代表了有前景的未来研究方向，有潜力创建具有增强功能的多功能平台。多孔硅与微流控技术的融合，有望推动高灵敏度、便携式生物传感器的发展，进而以最小的侵入性和减少的样本量实时分析生物样品。此外，将多孔硅集成到可穿戴器件中可以利用多孔硅的生物相容性和可调特性，促进持续健康监测和早期疾病检测。然而，实现这些商业化的创新还需要克服很多挑战，特别是在大规模生产和监管批准方面。解决这些挑战对于将基于多孔硅的生物传感技术从实验室推向市场至关重要，它们可以对医疗保健和诊断产生切实的影响。学术界、产业界和监管机构之间的持续合作，将为多孔硅技术的成功商业化铺平道路。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.4c18273
